光纤珐珀传感器在核电装置中的应用研究
发布时间：2021-12-19 03:48
核电厂是个复杂且规模庞大的系统,为保障核电站运行生产和核电机组的稳定安全,核电装置监测系统具有重大意义。核电装置环境多存在高温、高压、高辐射、强振动等恶劣条件,电子类传感器虽满足应用需求,但尺寸大、走线多、易受电磁干扰等,使得电子类传感器在应用上存在很多问题。光纤传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、电绝缘、损耗低等优点,为探索新的核电装置监测系统提供了新思路。本文为响应核电装置中液体压力和固体力的监测需求,提出了一种高灵敏度、低温度系数的光纤珐珀传感器,并根据光纤珐珀传感器的相关特性开展了应用研究。具体工作如下:（1）开展了光纤珐珀传感器的传感特性、基本特性以及辐照特性的实验研究。针对光纤珐珀传感器的应变和压力两种传感特性,基于传感原理制作了三种结构的珐珀传感器并开展了传感特性的对比测试研究,选择应变灵敏度为15 pm/με和压力灵敏度为123 pm/MPa的增敏型光纤珐珀传感器作为后续开展应用研究的传感器;对基于增敏型光纤珐珀传感器进行了相关特性测试,得出珐珀传感器可响应10 KHz的高频信号,经106次疲劳测试其特性良好、具有长期稳定、耐250℃高温和耐100%高湿...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核电系统示意图
用紫外激光逐点刻写法制作出低反射率、低损耗的光纤珐珀传感器，实现600℃工作温度下的应变和温度测量[17]。2005年，南京航空航天大学开展光纤珐珀传感器应用于光纤智能加层研究[18]。2007年，Y.J.Rao等首次实现单模光子晶体光纤与传统单模光纤的熔接，形成低成本、高条纹可见度的光纤珐珀传感器，实现温度和折射率的测量[19]。2009年，电子科技大学饶云江团队采用157nm激光加工微系统研制出自封闭式光纤珐珀传感器，实现800℃下传感器的正常工作[20]。2018年，电子科技大学饶云江团队制作的具有增敏结构的光纤珐珀传感器如图1-2所示，该传感器具有高灵敏度、低温度系数等优点，压力灵敏度为60.31pm/MPa，应变灵敏度为6.6pm/με，温度灵敏度为0.1pm/℃[21]。`图1-2增敏型光纤珐珀传感器[21]1.3.2光纤珐珀传感器在核领域中的研究现状1998年，FrancisBerghmans等人使用多模光纤制作出了非本征光纤珐珀温度和应力传感器，先后分别用剂量率114Gy/h，3.4kGy/h，对传感器进行辐射。实验结果表明光纤珐珀温度传感器测得的温度值比实际值明显偏低，且辐照停止后会有很小的恢复，这是由于辐射会引起光纤对波长的选择性吸收而引起的测试偏低现象。光纤珐珀应力传感器接受了不同剂量的辐照，实验发现辐射致使信号衰减并且消除了有效波长区域内的干涉条纹，使珐珀传感器在辐照后不能正常运行，
电子科技大学硕士学位论文4但衰减程度与辐照剂量无明显关系，且实验使用的三个珐珀传感器的衰减现象表现一致[22-23]。2002年，HanyingLiu等人研究了伽马辐射对光纤珐珀传感器的影响。使用的非本征光纤珐珀传感器结构如图1-3所示。将两个传感器在辐射场中进行照射，其中一个传感器照射的总剂量为133Mrad，且在辐照测试期间在线监测传感器的性能，记录每次辐照试验前后的传感器静态和动态性能，分析数据表明这种类型的传感器适用于高剂量伽马辐射的辐射环境。其后研究了在总剂量为15kGy和1.33MGy的伽马辐射的传感特性，传感器表现为无明显故障且产生的误差在可接受范围内。另外，将传感器分别放置在总中子能量密度为2.6×1016中子/cm2和总伽马剂量为1.09MGy的辐照环境中，实验表明传感器测试温度与实际温度偏差约为34°F，但传感器线性响应良好。通过后续实验对传感器进行了退火补偿，温度偏移减少了约63％[24-26]。图1-3非本征光纤珐珀传感器结构图[24]2003年，LaiChengChih等采用不同芯径的熔融石英光纤制作的珐珀传感器。在1MGy剂量下开展辐照实验测量，并进行了辐射前后康宁单模光纤热光系数的变化分析从而来评判辐照对传感器的影响。实验结果表明，辐照后实验中所有传感器的测试结果基本一致，即传感器的输出信号在0~150℃范围内发生周期性变化，且传感器的信号强度和温度之间的变化关系与理论曲线基本吻合。实验结果表明，这种光纤珐珀温度传感器可在热光系数相对变化量小于3%、辐射量不高于1MGy的环境中使用[27]。2011年至2014年期间，G.Cheymol等人利用不锈钢材料来制作光纤珐珀传感器，传感器结构如图1-4所示。实验采用在辐射环境中将传感器温度稳定在200℃保持22天，然后温度增加到390℃再保持5天。共采用五个传感器进行了辐照?
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界核电行业发展现状与趋势[J]. 水泵技术. 2019(05)
[2]光纤传感技术在核电站安全监测中的应用研究[J]. 宋祖荣,李晓洋,李懿轩,毕金生. 量子光学学报. 2017(03)
[3]电阻应变式称重传感器的应力集中问题[J]. 彭庆. 衡器. 2015(10)
[4]一种结构解耦的新型应变式三维力传感器研究[J]. 张海霞,崔建伟,陈丹凤,陈杨洋. 传感技术学报. 2014(02)
[5]飞秒激光制备的全单模光纤法布里-珀罗干涉高温传感器[J]. 王文辕,文建湘,庞拂飞,陈娜,王廷云. 中国激光. 2012(10)
[6]辐射对光纤传感器性能影响的研究进展[J]. 周次明,张方,丁立,姜德生. 激光与光电子学进展. 2011(04)
[7]石英光纤γ射线辐照损伤机理的实验研究[J]. 姜辉,陈抱雪,傅长松,隋国荣. 光学仪器. 2010(03)
[8]基于光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器（英文）[J]. 饶云江. 电子科技大学学报. 2009(05)
[9]基于法珀腔光纤传感器的光纤智能夹层的研究[J]. 梁大开,李东升,潘晓文,陈伟民. 仪器仪表学报. 2005(S1)
[10]压电陶瓷晶片受迫振动分析及其应用[J]. 陈伟民,管德,诸德超,李敏. 北京航空航天大学学报. 2001(01)
博士论文
[1]石英玻璃及石英光纤的抗辐射性能研究[D]. 邓涛.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]光纤珐珀传感器在空气/水动力学方面的应用研究[D]. 解真东.电子科技大学 2019
本文编号：3543710
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
核电系统示意图
用紫外激光逐点刻写法制作出低反射率、低损耗的光纤珐珀传感器，实现600℃工作温度下的应变和温度测量[17]。2005年，南京航空航天大学开展光纤珐珀传感器应用于光纤智能加层研究[18]。2007年，Y.J.Rao等首次实现单模光子晶体光纤与传统单模光纤的熔接，形成低成本、高条纹可见度的光纤珐珀传感器，实现温度和折射率的测量[19]。2009年，电子科技大学饶云江团队采用157nm激光加工微系统研制出自封闭式光纤珐珀传感器，实现800℃下传感器的正常工作[20]。2018年，电子科技大学饶云江团队制作的具有增敏结构的光纤珐珀传感器如图1-2所示，该传感器具有高灵敏度、低温度系数等优点，压力灵敏度为60.31pm/MPa，应变灵敏度为6.6pm/με，温度灵敏度为0.1pm/℃[21]。`图1-2增敏型光纤珐珀传感器[21]1.3.2光纤珐珀传感器在核领域中的研究现状1998年，FrancisBerghmans等人使用多模光纤制作出了非本征光纤珐珀温度和应力传感器，先后分别用剂量率114Gy/h，3.4kGy/h，对传感器进行辐射。实验结果表明光纤珐珀温度传感器测得的温度值比实际值明显偏低，且辐照停止后会有很小的恢复，这是由于辐射会引起光纤对波长的选择性吸收而引起的测试偏低现象。光纤珐珀应力传感器接受了不同剂量的辐照，实验发现辐射致使信号衰减并且消除了有效波长区域内的干涉条纹，使珐珀传感器在辐照后不能正常运行，
电子科技大学硕士学位论文4但衰减程度与辐照剂量无明显关系，且实验使用的三个珐珀传感器的衰减现象表现一致[22-23]。2002年，HanyingLiu等人研究了伽马辐射对光纤珐珀传感器的影响。使用的非本征光纤珐珀传感器结构如图1-3所示。将两个传感器在辐射场中进行照射，其中一个传感器照射的总剂量为133Mrad，且在辐照测试期间在线监测传感器的性能，记录每次辐照试验前后的传感器静态和动态性能，分析数据表明这种类型的传感器适用于高剂量伽马辐射的辐射环境。其后研究了在总剂量为15kGy和1.33MGy的伽马辐射的传感特性，传感器表现为无明显故障且产生的误差在可接受范围内。另外，将传感器分别放置在总中子能量密度为2.6×1016中子/cm2和总伽马剂量为1.09MGy的辐照环境中，实验表明传感器测试温度与实际温度偏差约为34°F，但传感器线性响应良好。通过后续实验对传感器进行了退火补偿，温度偏移减少了约63％[24-26]。图1-3非本征光纤珐珀传感器结构图[24]2003年，LaiChengChih等采用不同芯径的熔融石英光纤制作的珐珀传感器。在1MGy剂量下开展辐照实验测量，并进行了辐射前后康宁单模光纤热光系数的变化分析从而来评判辐照对传感器的影响。实验结果表明，辐照后实验中所有传感器的测试结果基本一致，即传感器的输出信号在0~150℃范围内发生周期性变化，且传感器的信号强度和温度之间的变化关系与理论曲线基本吻合。实验结果表明，这种光纤珐珀温度传感器可在热光系数相对变化量小于3%、辐射量不高于1MGy的环境中使用[27]。2011年至2014年期间，G.Cheymol等人利用不锈钢材料来制作光纤珐珀传感器，传感器结构如图1-4所示。实验采用在辐射环境中将传感器温度稳定在200℃保持22天，然后温度增加到390℃再保持5天。共采用五个传感器进行了辐照?
【参考文献】：
期刊论文
[1]世界核电行业发展现状与趋势[J]. 水泵技术. 2019(05)
[2]光纤传感技术在核电站安全监测中的应用研究[J]. 宋祖荣,李晓洋,李懿轩,毕金生. 量子光学学报. 2017(03)
[3]电阻应变式称重传感器的应力集中问题[J]. 彭庆. 衡器. 2015(10)
[4]一种结构解耦的新型应变式三维力传感器研究[J]. 张海霞,崔建伟,陈丹凤,陈杨洋. 传感技术学报. 2014(02)
[5]飞秒激光制备的全单模光纤法布里-珀罗干涉高温传感器[J]. 王文辕,文建湘,庞拂飞,陈娜,王廷云. 中国激光. 2012(10)
[6]辐射对光纤传感器性能影响的研究进展[J]. 周次明,张方,丁立,姜德生. 激光与光电子学进展. 2011(04)
[7]石英光纤γ射线辐照损伤机理的实验研究[J]. 姜辉,陈抱雪,傅长松,隋国荣. 光学仪器. 2010(03)
[8]基于光子晶体光纤的法布里-珀罗干涉传感器（英文）[J]. 饶云江. 电子科技大学学报. 2009(05)
[9]基于法珀腔光纤传感器的光纤智能夹层的研究[J]. 梁大开,李东升,潘晓文,陈伟民. 仪器仪表学报. 2005(S1)
[10]压电陶瓷晶片受迫振动分析及其应用[J]. 陈伟民,管德,诸德超,李敏. 北京航空航天大学学报. 2001(01)
博士论文
[1]石英玻璃及石英光纤的抗辐射性能研究[D]. 邓涛.武汉理工大学 2010
硕士论文
[1]光纤珐珀传感器在空气/水动力学方面的应用研究[D]. 解真东.电子科技大学 2019
本文编号：3543710
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